MAKROMODELLER • Makromodeller, herhangi bir elemanın veya devrenin lineer ve lineer olmama özelliklerini aslına olabildiğince uygun modellemek üzere, lineer elemanlar, bağımlı ve bağımsız kaynaklar ve az sayıda bağımlı ve bağımsız kaynaklar ve az sayıda diyot, tranzistor gibi lineer olmayan l l l l t l d ğ d l elemanlarla oluşturulan eşdeğer devreler.
68
Embed
makromodeller - web.itu.edu.trkuntman/Y_lisans/ele517/makromodeller.pdf · Günümüzdeki makromodeller üç anaünümüzdeki makromodeller üç ana grup altında toplanabilirler:
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
MAKROMODELLER
• Makromodeller, herhangi bir elemanın veya devrenin lineer ve lineer olmama özelliklerini aslına olabildiğince uygun ğ ygmodellemek üzere, lineer elemanlar, bağımlı ve bağımsız kaynaklar ve az sayıdabağımlı ve bağımsız kaynaklar ve az sayıda diyot, tranzistor gibi lineer olmayan l l l l t l d ğ d lelemanlarla oluşturulan eşdeğer devreler.
Makromodellerin amacı:
• Çok tranzistorlu yapılarda benzetim süresini kısaltmak
k if l l id l i lik li i• Aktif elemanların idealsizlik analizi
Günümüzdeki makromodeller üç anaGünümüzdeki makromodeller üç ana grup altında toplanabilirler:
• 1. Lineer olmayan kontrollu kaynaklar içeren modeller• Bu tür modellerde lineer olmama özelliğini temsil eden• Bu tür modellerde, lineer olmama özelliğini temsil eden
analitik fonksiyonlar kullanılır. • 2. Yarıiletken diyot içeren modellery ç• Bu tür modellerde, lineer olmamayı temsil etmek üzere
yarıiletken diyotların üstel akım-gerilim ilişkisinden l l k dyararlanılmaktadır.
• 3. Yarıiletken tranzistor ve diyot kullanan modellerLineer olmamanın hem tran istor hem de di ot• Lineer olmamanın hem tranzistor, hem de diyot
elemanlarının kullanılmasıyla temsil edildiği modeller bu gruba girmektedir.g g
Ö k 1 İ l l k tl di i iÖrnek 1: İşlemsel kuvvetlendirici makromodelleri
VCC=15VC
VCC=15V
R1T3 T4
T5 T6
I2
T7T8
360uA
IQ0.5mA
T9 vo
RL
T9
T11
R5
R4T15
-VEE
Ix
T2-VEE
+
-vi
T1 I1
1mA
IT 25uA 50uA 1k
T12
IT
T13
25uA
T10T14
-VEE=-15V
R3R2
• İşlemsel Kuvvetlendirici Yapı Örneği
-VEE=-15V
ş p ğ
Ö k 1 İ l l k tl di i iÖrnek 1: İşlemsel kuvvetlendirici makromodelleri
+V CC
VCD
+V3
O
V
R O1
C
VcC2Vb
RPRCC1 C21
+ V a -
R
D1 D2 D4
R Re1 e2VeR2 R
1O2
R V
2
ECbGb .VGa.VaRE
Gcm.VeIEECE baREIEE
-V EE
• Tranzistorlar, yarıiletken diyotlar, bağımlı ve bağımsız kaynaklar ve lineer elemanlar kullanılarak kurulan işlemselkaynaklar ve lineer elemanlar kullanılarak kurulan işlemsel kuvvetlendirici makromodeli (Boyle 1974)
• yapıda çok fazla sayıda yer alan fiziksel gerçek elemanlar yerine basit ideal g ç yelemanlar
• Basit bir diferensiyel giriş katı yardımıyla y g y ylineer olmayan giriş karakteristiğinin modellenmesi.modellenmesi.
• T1-T2 tranzistorları ve bunlarla ilişkili diğer elemanlar ile yapının fark ve ortak işaretelemanlar ile yapının fark ve ortak işaret davranışı.
• CE kondansatörü yükselme eğimi, • C1 kondansatörü faz yanıtıC1 kondansatörü faz yanıtı• Ara kattaki Gcm , Ga , R2 , RO2 elemanları
l l k• D3 ,VC ve D4 ,VE elemanları çıkış geriliminin maksimum değerini ve kırpılma sınırları
• Yapının çıkış katı devreye tam anlamıyla b k d ö llikl i ibenzemeyen, ancak devre özelliklerini sağlayan bir topoloji kullanılarak kurulmuştur.
• Tüm makromodeller, bir tümdevre benzetim programı ile birlikte kullanılacakları düşüncesi ile tasarlanırlar. ş
ro2 dip+VCC
cssrss3 iss
dp rp+ 9vc
+
-vb
+
- fb+ +
din
j1+1
j2 r2-
C2
egnd-
+7
vlimhlim
-
vip
-6gadcgcm
6
d2
C1
d1
-2 vin
ro1gcmverd2rd1
-VEE4
de
+ - 5+VO
Gi i k t k ll JFET’l l k l l i l lGiriş katı p kanallı JFET’lerle kurulmuş olan işlemsel kuvvetlendiriciler için geliştirilen makromodel (LF351 ).
din
ro2 dip +VCC3
Cee reedp
iee rp
2
+
-
9vc+
-vb
+
- fb+
7
+
re1 re2r2
C2 egnd-
+7
vlimhlim
-
vip vin-ro16ga
dc
gcm
6
veQ2
C1
+
-
12 Q1
deverc2
C1rc1
-VEE
4de
+ - 5+VO
• Giriş katı pnp tranzistorlarla kurulmuş olan işlemsel kuvvetlendiriciler için geliştirilen makromodel (LM324) .
ro2 dip +VCC
1rc1 C1
Q1+
dprc2
Q2
rp
r2
+
-
9vc
C2
+
-vbegnd
+
-fb
+
-+7
+
-62
din
C2 +
vlimhlim vip vin
-
ro16ga
dc
gcm
6
veCee reere2
2
iee
re1-
4 de -VEE
+ - 5+VO
• Giriş katı npn tranzistorlarla kurulmuş olan işlemsel kuvvetlendiriciler için geliştirilen makromodel (LM301A ).
RO1R O2V+V+ 5V+4V+
V OSP
RID/2R IC
AV
I 1R C1 1 I2 R C2 2 V5
D D5
+
6IB1
OV+
OV-4 4DV
VD3 3
+- +
-V
D2
2
V
D1
1+- +
-
IB2
VCM+ -
RICNRID/2
+ ' BV I = G1 (VA V ) I =G2 V4
• Yarıiletken diyotlar bağımlı ve bağımsız kaynaklar ve
VKCM CMBV I 1 = G1 .(VA-VB) I2 =G2 .V4
• Yarıiletken diyotlar, bağımlı ve bağımsız kaynaklar ve lineer elemanlar kullanılarak kurulan işlemsel kuvvetlendirici makromodeli (Peic, 1991).
• Birinci ara katta V1-D1 ve V2-D2 gerilimBirinci ara katta V1 D1 ve V2 D2 gerilim sınırlama devreleri
• Birinci hücrede C1 ve R1 elemanları• Birinci hücrede C1 ve R1 elemanları yapının transfer fonksiyonunun baskın olmayan ikinci kutbuolmayan ikinci kutbu
• ikinci ara hücrede G2.V4 kontrollu kaynağı C2 k d ö ü ü i d ki ili iC2 kondansatörü üzerindeki gerilimin yükselme hızı
• İkinci kazanç katında R2 ve C2 elemanları kuvvetlendiricinin transfer fonksiyonunun f1y 1baskın kutbu
Model Parametrelerinin belirlenmesi
Burada diyotlar ideal alınmıştır.
• Ortak işaret kazancı ve dengesizlik akımıOrtak işaret kazancı ve dengesizlik akımı
• Gerçek diyot modeli kullanılırsa, diyot d kdoyma akımı
Ö k 2 G i il tk liği k tl di i i iÖrnek 2: Geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) makromodeli (Kuntman 1994)
• İşlemsel kuvvetlendiricilerden daha geniş bandlı olmaları ve eğimlerinin kontrol edilebilir olması nedeniyle OTA'lar da ygittikçe yaygınlaşarak kullanım alanı bulmaktadırbulmaktadır.
OTA devre sembolüOTA devre sembolü
tanım bağıntısı
)(,21
If = GV-V
I = G AmII
Om
21 V-V II
IA kontrol akımıIA kontrol akımı
CMOS t k l ji i il k l• CMOS teknolojisi ile kolayca tümleştirilebilme
• OTA-C aktif süzgeçleri
• Çok sayıda OTA içeren aktif süzgeçlerin benzetim sürelerinin kısaltılması
• Geniş ölçekli devrelerde nümerik sorunların, ıraksama sorunlarının giderilmesi
Simetrik BJT OTA Yapısı
+VDD
T3 T4 T6T5
B : 1 1 : B
T1 T2VO1 2
4 5
7T1 T2
IA
+VI2+VI13
6CL
-VSS
T7 T8
1 : 1
• Simetrik CMOS-OTA yapısıy p
Temel tanım bağıntıları
m n A 1G = B. K .I .(W / L )m n A 1G . K .I .(W / )
Omaks Omin AI = - I = - B.IOmaks Omin A
V m OK = G .RV m OK G R1
dO n7 L
f =1
2. .R .(C + C )π
m4fg
nd1m4
n5f =
g2. .Cπ
g=f m7 f=f 2C.2.
=fn6
nd π2 f =f ndz .2 2
GBW = K . fV d
YE =B.I AYE =
C +CL n7
+VDD
RVC C+ - D4
DRV +- D
RO1
3
+VO
RV E E+-
+VA
A-V SS
VOS + VP' 1V+ 2V+ D D1 2- VOSP
+RC I1
VP
2
1V
Cn5
2V+Cn6
R O2V VB1
1+ -- B2
2CO
+VO
+
-I 44
I 3RI 2I1 R3RC I2
VCM+ -
3
C
N1
O-C I2V N'
3+-
N
VKCM CM.
I1 = g .V1 ID B gI 2 = m4 V1 g V7I 3 = G (V - V )AI = O2I1 = g .Vm1 ID B.gI 2 = m4.V1 g .Vm7I 3 = G.(V V )AI4 = O
m7R 4= 1/gR3=1/gm4P -VN'VID=V'
2
• Simetrik CMOS OTA için makromodel.
M d l P t l i i B li l iModel Parametrelerinin Belirlenmesi
M d l P t l i i B li l iModel Parametrelerinin Belirlenmesi
Benzetim SonuçlarıBenzetim SonuçlarıModel parametreleri, IA = 100 μA
• Simetrik CMOS OTA’da KV gerilim kazancının f k b l lfrekansa bağımlılığı.
Tasarım Örneği 4 derece AGTasarım Örneği, 4. derece AG Butterworth süzgeçg ç
OTA2OTA1
+VO+-+-
+VIN C1 C21 2
a0________________2
___
0
b0
a0 = b,
s2 + b1 +s
/C1 = b 0 / b1gm1
• İkinci dereceden alçak geçiren OTA-C aktif süzgeç d i
0gm2 / = 1C 2 b
devresi.
• Ardarda bağlı iki 2 derece süzgeçArdarda bağlı iki 2. derece süzgeç• Bütün OTA'ların eğimleri eşit ve Gm =
1 041 A/V1.041 mA/V• İlk hücrenin değer katsayısı QP1 = 1.307,• ikinci hücrenin değer katsayısı QP2 = 0.541• köşe frekansı ωP = 2 34 x 106 rad/sn• köşe frekansı ωP = 2.34 x 106 rad/sn• normalize geçiş fonsiyonu
H(s) =1
2 2H(s) ( s +0,765s+1).( s +1,848s+1)2 2
• Dördüncü dereceden alçak geçiren OTA-C aktif süzgecinin ö dü cü de ecede a ça geç e O C a t sü gecDC gerilim geçiş eğrisi.
Süzgecin frekans eğrisi.g ğ
Zaman bölgesi yanıtıg y
Benzetim Süresi Kısalma Çarpanı
T(makromodel) = K * T(eleman modeli)• DC Analiz: K = 0.35• AC Analiz: K = 0 644• AC Analiz: K = 0.644
• Zaman Bölgesi Analizi (Transient):K= 0 252K= 0.252
Ö k 3 Ak t k d liÖrnek 3: Akım taşıyıcı makromodeli (Tarım, Yenen, Kuntman 1996, 1998)
v
CCXx
zvx i z
+-ix zv
yvyyi
• Akım Taşıyıcı Devre Sembolü (X=I, II, III)
y
ş y ( , , )
ÖÖrnek 3: Akım taşıyıcı makromodeli
• CCII, aşağıda verilen bağıntılarla tanımlanan üç uçlu bir devredir:
=,X Yv = v
0=i,
0=iY
Z Xi = imZ Xi i
• İdeal bir akım taşıyıcıda, giriş ve çıkış ş y , g ş ç şempedansları sonsuz, band genişliği sonsuz X ucundan içeriye doğrusonsuz, X ucundan içeriye doğru bakıldığında görülen empedans sıfırdır.
• Uç büyüklüklerinin sınırları
IiI )(
XmaksXX
XmaksXX
VtvVItiI
<<<<
)()(
min
min
ZmaksZZ VtvV << )(min
DDVT14T5
T7 T15 T16
iz = ix
T12
T13M9
T8 T10
T11
Z
R zbias
Iin in- +
YX T1 T2
R
Rx i
x
bias
Cc
SSVT3 T4 T6 T17 T18
CMOS CCII devresi I
DDVT5 T6
T9T10
T3 T4 M11T12
Z
iz = ix
Rix
X
vxYT1 T2
RzRx
vyI
BI
B IB
Vbi 1
T7 T13
SSV
bias1
2V
biasT8
T14
T16
T15
CCII devresi II
İdeal Olmama, Küçük İşaret Eşdeğer , ç ş ş ğdevresi
R = 5k R = oo için eleman modeli ve makromodel yardımıyla eldeRX = 5k, RZ = oo için eleman modeli ve makromodel yardımıyla elde edilen VX-VY ve VZ-VY değişimleri.
X ucundan içeriye ve dışarıya doğru akıtılan akımın sınırları, RX = 0.
• RX = ∞ için VX - VY değişimiX ç X Y ğ ş
X ucundan görülen ZX empedansının frekansla değişimi için makromodel ve eleman modeli yardımıyla elde edilen simülasyonmakromodel ve eleman modeli yardımıyla elde edilen simülasyonsonuçları.
• Z ucundan görülen ZO empedansının frekansla değişimi için makromodel ve eleman modeli yardımıyla elde edilen simülasyon sonuçları.
• vx/vy ve vz/vy gerilim transfer oranlarının frekansla değişimi için makromodel ve eleman modeli yardımıyla elde edilen simülasyon
lsonuçları.
Ö k CCII+ CCII b l k if üÖrnek, CCII+ ve CCII- tabanlı aktif süzgeç
YZ
XCCII+
YZ
X2R
C1
iVCCII- 10k
YZ
X
R1
C1
oVCCII-10k
.1nF
3 4R R C 2
10k 10k .1nF
fp = 159kHz, Qp = 0707p , Qp
• Süzgecin Frekans Eğrisig ğ
• Sinüs yanıtı, Giriş işareti VP = 1V, f = 100kHzy , ş ş P ,
Yükselme eğimi nedeniyle çıkışYükselme eğimi nedeniyle çıkış işaretinde ortaya çıkan bozulma ş y ç
• H. Kuntman: Application of modified Ebers-Moll ppmodel to nonlinear distortion analysis of transistor amplifiers, Electronics Letters, Vol.19, No.4, pp 126 127 1983pp.126-127,1983.
• H. Kuntman: New Method for modelling high-injection effects in bipolar transistors Bulletin ofinjection effects in bipolar transistors, Bulletin of The Technical University of İstanbul, Vol.37,No.1,pp.73-79, 1984.
• H Kuntman H Çelik: A nonlinear analysis and• H. Kuntman, H. Çelik: A nonlinear analysis and simulation program for bipolar transistor circuits, Bulletin of The Technical University of Istanbul, y ,Vol.39, No.1, pp.89-107, 1986.
• H. Kuntman: Novel modification on SPICE BJT d l b i d d IEE P Pmodel to obtain extended accuracy, IEE Proc. Pt-
G, Vol.138, pp.673-678,1991.• H Kuntman and S Özcan: Minimisation of total• H. Kuntman and S. Özcan: Minimisation of total
harmonic distortion in active-loded differential BJT amplifiers, Electronics Letters,Vol.27, p , , ,pp.2381-2383, 1991.
• H. Kuntman: On the harmonic distortion ffi i t f ti l d d BJT lificoefficients of active-loaded BJT amplifiers,
International Journal of Electronics, Vol.72,pp.459-465,1992Vol.72,pp.459 465,1992
Ö• H. Kuntman, S. Özcan: Extraction of SPICE BJT model dynamic parameters from dc measurement data, International Journal of Electronics, Vol.74, , ,No.4,pp.541-551,1992.
• E.İ.Tekdemir, H. Kuntman: Implementation of a novel BJT model into the SPICE simulation program to obtainBJT model into the SPICE simulation program to obtain extended accuracy, International Journal of Electronics, Vol.75, NO.6, pp.1185-1199, 1993.H K t I d t ti f h l l th• H. Kuntman: Improved representation of channel-length modulation in junction field-effect transistors, International Journal of Electronics, Vol.75, No.1,pp.57-64 199364, 1993.
• H. Kuntman: Simple and accurate nonlinear OTA macromodel for simulation of CMOS OTA-C active filters, International Journal of Electronics, Vol.77, No.6, pp.993-1006, 1994.
• N. Tarım, B. Yenen, H. Kuntman: Simple and accurateli d l f i l inonlinear current conveyor macromodel for simulation
of active filters using CCIIs, International Journal ofCircuit Theory and Applications, 26, pp.27-38, 1998.
• N. Tarım, B. Yenen, H. Kuntman: Simple and accuratenonlinear current conveyor macromodel, Melecon 96:8th Mediterranean Electrotechnical Conference, Vol.1,8th Mediterranean Electrotechnical Conference, Vol.1,pp 447-450, May 13-16, Bari, Italy, 1996.
• M. Yazgı, H. Kuntman, A new approach for parameterextraction of complex models and an application forextraction of complex models and an application forSPICE MOSFET level-3 static model, MicroelectronicsJournal, Vol.30, No.2, pp.149-155, 1999
• H. Kuntman and A. Toker, 'Novel nonlinear macromodel suitable for SPICE simulation of analogue multipliers realised with bipolar and CMOS technologies', Int. Journal of Circuit Theory and Applications, 27, pp.485-495, 1999.
• U. Cam and H. Kuntman, ‘Simple and accurate , pnon-linear macromodel for four terminal floating nullors (FTFNs)’ Int. Journal of Electronics, Vol. ( )88, No.4, pp 435-447, 2001.
• U Çam H Kuntman Simple and accurate non-U. Çam, H. Kuntman, Simple and accurate nonlınear macromodel for four terminal floatingnullor (FTFN), Proc. of Int. Conference on( ),Electrical and Electronics Eng. ELECO'99,Electronics: pp. 73-77, Bursa,Turkey, 1-5
bDecember 1999.• H. Kuntman, A. Dolar: Implementation of a
l OS d l i S CNovel MOSFET Model into SPICEProgram toObtain Extended Accuracy for Simulation ofAnalogue Circuits Proc of the 7th InternationalAnalogue Circuits, Proc. of the 7th InternationalConference on OPTIMIZATION OFELECTRICAL AND ELECTRONICELECTRICAL AND ELECTRONICEQUIPMENT: OPTIM 2000, May 11-12, 2000Brasov, ROMANIA, pp. 765-770., , pp
• G Dü enli H K ntman The Basic of an Anal tical• G. Düzenli, H. Kuntman, The Basic of an Analytical Model Development for the P-MOS Transistor Degradation, Proc. of OPTIM’2002 (8th International g (Conference: OPTIMIZATION OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC EQUIPMENT), pp. 829-834, May 16-17 2002 Brasov ROMANIA17, 2002 Brasov, ROMANIA.
• F. Kaçar, A. Kuntman, H. Kuntman, "A Simple Approach for Modelling The Influence of Hot-Carrier pp gEffect ON Threshold Voltage Of MOS Transistors", Proceedings of the 13th International Conference on Microelectronics (ICM’2001) pp 43-46 RabatMicroelectronics (ICM 2001), pp.43-46, Rabat, Morocco, October 29-31, 2001.
• H Kuntman Elektronik ElemanlarınH. Kuntman, Elektronik Elemanların Modellenmesi, İTÜ Kütüphanesi, 1998.
k A l OS• H. Hakan Kuntman, Analog MOS Tümdevre Tekniği, İTÜ Kütüphanesi, Sayı: 1587, 1997.
• H H Kuntman Analog tümdevre tasarımı• H. H. Kuntman, Analog tümdevre tasarımı, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1998.
• P. Antognetti, G. Massobrio, Semiconductor device modeling with gSPICE, Mc Graw Hill, 1988.
• BOYLE,G.R., COHN, B.M., PEDERSON, D O d SOLOMON J E M d liD.O. and SOLOMON, J.E., Macromodeling of integrated circuit operational amplifiers, IEEE Journal of Solid-State Circu-its, 9, 353-363, 1974.353 363, 1974.
• PEIC, R.V., Simple and accurate nonlinear d l f ti l lifimacromodel for operational amplifiers,
IEEE Journal of Solid-State Circuits, 26, 896-899, 1991.